Summary
Fantasmi di tessuto ottico sono strumenti essenziali per la calibrazione e la caratterizzazione di sistemi di imaging ottici e validazione di modelli teorici. Questo articolo descrive in dettaglio un metodo per la fabbricazione di fantasma che include la replica delle proprietà ottiche del tessuto e la struttura tridimensionale del tessuto.
Abstract
Il rapido sviluppo di nuove tecniche di imaging ottici dipende dalla disponibilità di standard di basso costo, personalizzabile e facilmente riproducibili. Replicando l'ambiente di imaging, costosi esperimenti sugli animali per convalidare una tecnica possono essere elusa. Previsione e ottimizzazione delle prestazioni di in vivo ed ex vivo , tecniche di imaging richiede test su campioni che sono otticamente simili ai tessuti di interesse. Che imita il tessuto ottici fantasmi forniscono uno standard per la valutazione, la caratterizzazione o la taratura di un sistema ottico. Fantasmi di tessuto ottico omogeneo polimero sono ampiamente utilizzati per simulare le proprietà ottiche di un tipo di tessuto specifico all'interno di una gamma spettrale stretta. Tessuti a più livelli, come l'epidermide e il derma, possono essere imitati impilando semplicemente questi fantasmi lastra omogenea. Tuttavia, molte tecniche in vivo imaging vengono applicate al tessuto più spazialmente complesso, dove tre strutture dimensionali, come vasi sanguigni, vie respiratorie o i difetti del tessuto, possono influire sulle prestazioni del sistema di imaging.
Questo protocollo descrive la realizzazione di un fantasma che imita il tessuto che incorpora la complessità strutturale tridimensionale utilizzando materiale con proprietà ottiche del tessuto. Tabelle di ricerca forniscono ricette inchiostro di India e biossido di titanio per assorbimento ottico e obiettivi di scattering. Vengono descritti metodi per caratterizzare e sintonizzare le proprietà ottiche dei materiali. Il fantasma fabbricazione dettagliata in questo articolo ha un interno vuoto ramificazione di finto delle vie respiratorie; Tuttavia, la tecnica può essere applicata in linea di massima ad altre strutture di tessuto o organo.
Introduction
Fantasmi di tessuto sono ampiamente utilizzati per la caratterizzazione del sistema e calibrazione di strumenti ottici di imaging e spettroscopia, compresi i sistemi di multimodalità incorporando ultrasuono o modalità nucleare1,2,3 ,4. Fantasmi forniscono un ambiente controllato ottico per la caratterizzazione del sistema e controllo di qualità di più tecniche di imaging biologiche. Fantasmi che imita il tessuto sono strumenti utili per prevedere le prestazioni del sistema e ottimizzare la progettazione di sistema per l'attività fisiologica a portata di mano; ad esempio, per stimare la profondità di sondaggio di sonde spettroscopiche per la valutazione del tumore margini5. Proprietà ottiche e progettazione strutturale dei fantasmi può essere sintonizzati per simulare l'ambiente fisiologico specifico in cui l'apparecchio viene utilizzato, consentendo quindi per studi di fattibilità e la verifica del sistema prestazioni3, 6,7. Verifica delle prestazioni del sistema con ottici realistici fantasmi prima di entrare in studi preclinici o clinici di imaging riduce il rischio di malfunzionamento o l'acquisizione di dati inutilizzabili durante gli studi in vivo . La riproducibilità e la stabilità dei fantasmi ottici li rendono gli standard di calibrazione personalizzabile per tecniche ottiche monitorare la variabilità da intra - e inter - strumentale, in particolare nei trials clinici multicentrici con diversi strumenti, operatori e condizioni ambientali8,9.
Fantasmi che imita il tessuto anche servono come modelli fisici sintonizzabile e riproducibile per la validazione dei modelli teorici di ottici. Simulazioni di aiuto nella progettazione e ottimizzazione di in vivo strumenti ottici, riducendo la necessità per esperimenti sugli animali10,11. Lo sviluppo e la validazione delle simulazioni ottiche per rappresentare accuratamente l'ambiente in vivo può essere ostacolati dalla complessità della struttura del tessuto, il contenuto biochimico e la posizione della destinazione o del tessuto all'interno del corpo. Variabilità tra i soggetti rende la validazione di modelli teorici impegnativo utilizzando misurazioni animale o umane. Fantasmi di polimero tessuto ottico consentono per la validazione dei modelli teorici fornendo un ambiente ottico noto e riproducibile in cui studiare fotone migrazione12,13,14,15.
Ai fini della calibrazione del sistema, solidi ottici fantasmi possono consistere di una singola lastra omogenea di polimero polimerizzato con la dispersione ottica, assorbimento o fluorescenza sintonizzato per le lunghezze d'onda di interesse. A strati di polimero fantasmi sono usati frequentemente per imitare la varianza di profondità delle proprietà ottiche del tessuto in tessuto epiteliale modelli16,17. Queste strutture fantasma sono sufficienti per imaging epiteliale e modellazione, perché la struttura del tessuto è abbastanza omogenea attraverso ogni livello. Tuttavia, più grande scala e strutture più complesse influenzano trasporto radiativo in altri organi. Metodi per creare fantasmi più complessi sono stati sviluppati per simulare l'ambiente ottico di vasi sanguigni sottocutanei18,19 e anche di interi organi, quali la vescica20. Trasporto leggero nei polmoni di modellazione fornisce un unico problema dovuto la struttura ad albero dell'interfaccia aria-tessuto; un fantasma solido non sarebbe probabilmente replicare accuratamente trasporto radiativo nell'organo21. Per descrivere un metodo per incorporare la struttura complessa in un'ottico fantasma, descriviamo un metodo per creare un albero di frattalo interna, riproducibile Sub che rappresenta la struttura macroscopica di tridimensionale (3D) delle vie respiratorie (Figura 1).
Negli ultimi decenni, la stampa 3D è diventata un metodo predominante per la prototipazione rapida di dispositivi medici e modelli22, e fantasmi di tessuto ottico non fanno eccezione. Stampa 3D è stata utilizzata come strumento di produzione di additivi per la realizzazione di ottici fantasmi con canali23, vaso sanguigno reti24e modelli animali piccolo corpo intero25. Questi metodi utilizzano uno o due stampa materiali con proprietà ottiche uniche. Inoltre sono stati sviluppati metodi per ottimizzare le proprietà ottiche del materiale stampa per imitare tessuti biologici generali, torbido25,26. Tuttavia, la gamma di proprietà ottiche ottenibili sono limitate dal materiale stampa, solitamente un polimero acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)26, quindi questo metodo non è adatto a tutti i tessuti biologici. Polidimetilsilossano (PDMS) è un polimero otticamente chiaro che può essere facilmente miscelato con scattering e assorbimento di particelle con un livello superiore di accordabilità27,28. PDMS è stato utilizzato anche per modellare fantasmi con modelli di aneurisma per la distribuzione di dispositivi embolic29,30. Questi fantasmi anche utilizzano una parte stampata 3D dissolvable, ma rimangono otticamente trasparente per visualizzare la distribuzione di dispositivi. Qui, uniamo questo metodo accordabilità delle proprietà ottiche di PDMS con scattering e assorbimento di particelle per fabbricare un modello preliminare del tessuto e vie aeree del polmone murino.
Mentre il fantasma qui presentato è specifico per i polmoni, il processo può essere applicato ad una varietà di altri organi. Stampa 3D della struttura interna del phantom permette la progettazione essere personalizzabile per qualsiasi scopo e stampabile scala, si tratti di un sangue o linfa vaso rete, midollo osseo o anche la struttura chambered quattro del cuore31. Perché siamo interessati a imaging ottico e modellazione del polmone32,33,34, abbiamo optato per utilizzare un albero di quattro-generazione frattale come la struttura interna di replicare all'interno del polimero fantasma. Questa struttura è stata progettata per approssimare la struttura ad albero delle vie respiratorie e hanno materiale di supporto break-away per il processo di stampa 3D. Lle vie respiratorie più anatomicamente corretta potrebbe essere stampato se fuga supporto materiale non è necessario. Anche se questo particolare modello rappresenta una via aerea, la struttura interna del fantasma non deve rimanere un materiale vuoto. Una volta che il polimero circostante è guarito e la parte stampata in 3D è sciolto, la struttura interna può essere utilizzata come un percorso di flusso o come uno stampo secondario per un materiale con le proprie unica assorbimento e scattering caratteristiche. Ad esempio, se la struttura interna da questo protocollo è stata progettata come un osso digitale anziché lle vie respiratorie, la struttura dell'osso potrebbe essere 3D stampato, modellato con PDMS con proprietà ottiche del dito e poi sciolto fuori il fantasma. Il vuoto potrebbe quindi essere riempito con una miscela PDMS con differenti proprietà ottiche. Inoltre, ogni stampo non è limitato a una singola parte solubile. Un fantasma del dito può essere creato per includere ossa, vene, arterie e uno strato di tessuto molle generale, ognuno con le sue proprietà ottiche uniche.
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Protocol
1. selezione e verifica della proprietà del materiale Matrix
- Prima di iniziare il processo di fabbricazione fantasma (Figura 1), trovare l'assorbimento e dispersione ridotta coefficienti per i tessuti biologici di interesse presso la wavelength(s) di imaging. Stime preliminari possono essere trovate nel riferimenti35,36. Tuttavia, la convalida dei coefficienti ottici potrebbe essere necessario.
- Utilizzando le tabelle di ricerca per coefficiente di assorbimento, µunae il coefficiente di dispersione ridotta, µs', 488, 535, 632 e 775 lunghezze d' (tabelle 1-4 e figure 2– 3), onda nm selezionare le concentrazioni di inchiostro di India e biossido di titanio (TiO2) che approssimano le proprietà ottiche desiderate. Queste ricette sono specifiche per fantasmi fabbricati con PDMS. Queste tabelle forniscono dati sperimentali a lunghezze d'onda discreta, ottimizzazione della ricetta può essere richiesto per l'applicazione specifica.
-
Fabbricare una lastra di polidimetilsilossano (PDMS) della ricetta selezionata per la conferma delle proprietà ottiche.
- Utilizzando un rapporto di 10:1 in peso di resina PDMS agente indurente, versare gli ingredienti nella coppetta di miscelazione nel seguente ordine: resina PDMS, TiO2, inchiostro di China, PDMS agente indurente.
Nota: Qui, ci prova due ricette: 1) 2mg TiO2 + 3,5 µ l inchiostro di India EUR g PDMS e 2) 1mg TiO2 + 10 µ l India ink / g PDMS. Per ogni ricetta, 4,5 g PDMS resina ed agente indurente di PDMS 0,45 g vengono utilizzati con la corrispondente quantità di particelle ottiche. - Mescolare in un mixer di velocità (Vedi Tabella materiali) per 60 s. Se le particelle di TiO2 stick per la miscelazione della tazza (probabile con alte concentrazioni di TiO2), mescolare a mano per rimuovere le particelle dalla base della Coppa e mescolare nel mixer per altri 30 s.
- Versare il composto in pozzi o capsule di Petri per rendere sottile (0,1-1 mm) lastre della miscela.
- Degas le lastre per 10 min ponendoli in una camera a pressione di tenuta d'aria negativa, quindi posto in un forno pre-riscaldato a 80 ° C per 30-60 min. Togliere dal forno e lasciate raffreddare.
- Rimuovere la lastra di polimero raffreddato dal relativo contenitore. Tagliare i bordi di lasciare una lastra piana e uniforme. Misurare lo spessore della lastra utilizzando pinze.
- Utilizzando un rapporto di 10:1 in peso di resina PDMS agente indurente, versare gli ingredienti nella coppetta di miscelazione nel seguente ordine: resina PDMS, TiO2, inchiostro di China, PDMS agente indurente.
-
Misurare la trasmittanza (T) e la riflettanza (R) di slab(s) utilizzando una sfera integratrice. Ulteriori dettagli e istruzioni possono essere trovate il raddoppiamento della aggiunta di inverso (IAD) manuale37.
- Attivare la sorgente di luce e spettrometro del setup sfera integratrice. Controllare l'allineamento del sistema per assicurare un piccolo fascio di luce collimato è centrato sulle porte di entrata e uscita della sfera integrata.
- Calibrare il sistema sfera integratrice.
- Spegnere la fonte, la porta di uscita della sfera integrata di cap e registrare tre spettri scuri.
- Riaccendere l'origine per ottenere il riferimento di trasmissione con la porta di uscita innevate e la porta di ingresso vuota. Registrare tre spettri.
- Ottenere misure di riflettanza riferimento utilizzando standard di riflettanza. Posizionare ogni standard presso la porta di uscita della sfera. Registrare tre spettri per ogni campione di riflessione.
- Misurare la trasmittanza della lastra. Con il tappo sulla porta di uscita, posizionare la lastra sulla porta di entrata della sfera integrata per la misurazione di trasmissione. Registrare tre spettri.
- Misurare la riflettanza della lastra. Rimuovere il tappo della bocchetta di uscita e posizionare la lastra sulla porta di uscita per la misura di riflettanza. Registrare tre spettri.
-
Determinare le proprietà ottiche utilizzando software IAD. Un tutorial completo sul software può essere trovato nel manuale IAD con il software Scarica37,38.
- Media i tre spettri acquisiti per ogni misurazione.
- Utilizzando le equazioni nel manuale di IAD37, convertire queste misurazioni in valori R e T. Se necessario, è possibile condensare i file riducendo la frequenza di campionamento lungo lo spettro.
- Preparare il file di input .rxt (1 di materiale supplementare) per IAD con le lunghezze d'onda, riflettanza, trasmittanza e spessore del campione come descritto nel manuale di IAD37. Utilizzando il prompt dei comandi (Windows OS) o terminale (Mac OS), passare al percorso corretto. Digitare "iad ' input file name'" per eseguire IAD. Il software produrrà un file di testo di output con le proprietà ottiche stimate.
- Se le proprietà ottiche non sono in un range accettabile (~ 15%) dei valori desiderati, modificare di conseguenza la ricetta e ripetere i passaggi 1,3 – 1,5.
2. preparazione del Dissolvable 3D stampato struttura interna
- Struttura interna di progettazione utilizzando computer aided software di progettazione (CAD). Convertire modello solido struttura in un file di stereolitografia per montaggio su una stampante 3D. Se disponibile, una TAC segmentata può anche essere convertita in un file di stereolitografia piuttosto che un modello solido della struttura interna di disegno.
Nota: Il file CAD per la struttura ad albero di frattale usato qui è fornito in 2 materiale supplementare. La stampante utilizzata in questa carta è una stampante d'espulsione, quindi la parte è stata progettata per avere materiale di supporto break-away. - Selezionare un materiale solubile per la stampa, ad esempio alcol di polivinile (PVA) o polistirene antiurto (HIPS) (Vedi Tabella materiali). Stampare il modello solido in questo materiale solubile.
- Quando parti stampate sono sufficientemente raffreddati, rompere, sciogliere o il materiale di supporto al largo la parte stampata della macchina. File o sabbia fuori eventuali imperfezioni di grandi dimensioni.
-
Vapor polacco la parte stampata per ridurre la rugosità superficiale.
- Con la parte stampata fissata in una morsa, praticare un foro passante con spazio per un filo sottile di acciaio o nitinol nella base della parte stampata.
- Filo di acciaio inossidabile o filo di nitinol attraverso il foro. Piegare le estremità del filo e collegare insieme. Questo permetterà per la parte essere completamente immersi in vapori di acetone all'interno il becher. Filo e parte accantonati.
- Riempire un bicchiere grande approssimativamente 10% completo di acetone. Porre il becher su un piatto caldo durante il riscaldamento a 100 ° C. Attenzione: Eseguire questo passaggio in una cappa per evitare l'inalazione dei vapori di acetone.
- Quando acetone vapore condensa raggiunge circa a metà strada fino alla parete del bicchiere, appendere il filo loop con le vie respiratorie finto su un secondo filo e sospendere in vapori di acetone per 15 – 30 s. Assicurarsi stampato parti non tocchino il becher pareti o ogni altro (se vapor lucidatura più parti in una sola volta).
- Rimuovere la parte stampata e sospendere sopra il bicchiere vuoto o contenitore. Far parte asciugare per almeno 4 ore.
- Verificare che le dimensioni della struttura interna sono all'interno di tolleranza per la progettazione CAD, come necessario. A seconda delle esigenze di precisione, pinze o uno scanner laser 3D può essere utilizzato per misurare la struttura.
3. realizzazione di stampo resistente al calore
Nota: Preparare uno stampo a perfetta tenuta, resistente al calore per formare il fantasma PDMS. Selezionare una geometria di stampo per meglio adattarsi al design finale di fantasma. Qui, uno stampo rettangolare riutilizzabile è descritto.
- Progettare una solido modello base dello stampo per stampa 3D. Questo stampo è stato progettato per un fantasma con una base di 1,17 x 1,79 cm. La base dello stampo ha un 1 mm di spessore e un incavo profondo 5 mm con dimensioni interne in corrispondenza della base del fantasma. In questo modo lo stampo per raccordi per essere rimosso e lo stampo deve essere smontato e riutilizzato.
- Stampare una base per lo stampo con un inserto di larghezza sufficiente per garantire i raccordi dello stampo.
- Posto dei binari nei recessi della base dello stampo. Qui, fogli di policarbonato dello spessore di 1 mm sono usati come binari di raccordo muffa.
- Utilizzando nastro resistente al calore, sigillare i bordi dello stampo. È indispensabile che tutti gli angoli e bordi sono sufficientemente sigillati con nessun bolle nel nastro per evitare eventuali perdite durante il processo di stampaggio.
- Posto una piastra di base in policarbonato all'interno dello stampo preparato al punto 3.4. Questa piastra di base è lo stesso foglio di policarbonato dello spessore di 1 mm come il raccordo di muffa e dà la base phantom una superficie liscia senza la rugosità della superficie stampata 3D della base dello stampo. Incollare il vapore asciugati completamente lucidato parte alla piastra di base. Concedere tempo sufficiente per la colla si asciughi.
4. fabbricazione di polimero Phantom
Nota: Utilizzare la ricetta verificata per il materiale di matrice di massa determinato al passaggio 1 per l'applicazione specifica. Il protocollo qui vengono illustrati i passaggi per un tessuto sano del polmone murino fantasma a 535 nm con µs' di 40 cm-1 e µuna di cm 2-1. Può essere utile fabbricare un fantasma secondo senza particelle ottico da utilizzare come riferimento nel processo di fabbricazione.
- Versare 9,1 g di resina PDMS in una tazza di miscelazione in plastica. Aggiungere 20 mg di rutilo TiO2, seguito da 35 µ l di inchiostro di India. Infine aggiungere 0,91 g di catalizzatore verso l'alto della miscela. Seguire il protocollo di miscelazione nel passaggio 1.3.2.
- Versare la miscela polimerica finale nello stampo resistente al calore.
- Versare una piccola quantità della miscela in un contenitore separato per creare una lastra di polimero per la conferma delle proprietà ottiche dei materiali. Garantire che sufficiente polimero viene versato per avere una lastra di spessore di almeno 100 µm.
- Inserire sia la muffa finto delle vie aeree e la soletta separata in una campana di vetro per il degasaggio. Iniziare il processo di vuoto. Se il polimero nello stampo finto delle vie respiratorie inizia a salire, lasciare che l'aria nuovamente dentro la campana di vetro di scoppiare le bolle in superficie, quindi iniziare a tirare aria di nuovo. Ripetere questo processo fino a quando il polimero non aumenta significativamente. Questo vi porterà tra 5-10 min a seconda di quanta aria era intrappolata durante fase 4.2. Una volta che non è più aumenta il PDMS, continuare a degassare per altri 15 min.
- Dopo degasaggio, far lentamente l'aria nuovamente dentro la camera. Rimuovere la lastra di polimero e le vie respiratorie finta fantasma e mettere in livello forno a 80 ° C per 2 h.
- Rimuovere il fantasma e la lastra da forno e lasciate raffreddare per 20 min. Smontare la muffa di polimero con un bisturi senza tagliare il polimero polimerizzato. Bloccare la piastra di base al largo della base mock-delle vie aeree.
- Posto fantasma in bagno base dell'idrossido di sodio (NaOH) di ~0.5 M riscaldata (60 ° C) fino a quando la parte interna è completamente sciolta. Un fantasma otticamente chiaro riferimento può contribuire a determinare il tempo di dissoluzione per il componente interno. Una volta che la struttura interna è dissolto, fantasma fuori dalla vasca e lasciate asciugare completamente (~ 24 h) prima di prendere eventuali misure ottiche.
5. Verifica della fabbricazione fantasma
- Verificare fantasma geometria mediante risonanza magnetica ad alta risoluzione (MRI) o micro-tomografia computerizzata (CT) imaging, se lo si desidera. Questi metodi forniscono una verifica 3D delle strutture interne all'interno materiale torbido con risoluzioni assiale del < 400 µm39,40. In alternativa, un fantasma otticamente chiaro riferimento può essere imaged otticamente per verifica che la parte stampata è completamente sciolto e il vuoto restante è la corretta geometria.
Nota: Abbiamo verificato la geometria interna di un phantom otticamente opaco (2mg TiO2 + 3,5 µ l inchiostro di India) con micro-CT su un North Star Imaging (NSI) X50. Il fantasma era imaged con 20 µm risoluzione in tutte le dimensioni (Supplemental materiali 3, 4). - Verificare le proprietà ottiche del fantasma utilizzando la lastra di polimero e la sfera di integrazione (descritto nei passaggi 1.5-1.6).
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Representative Results
Per illustrare la tecnica di fabbricazione fantasma, fantasmi di tessuto polmonare del mouse sono stati fabbricati per simulare misurata proprietà ottiche del tessuto asportato sano e infiammata del polmone murino a 535 nm (tabella 5). Questa lunghezza d'onda di interesse è la lunghezza d'onda di eccitazione per tdTomato proteina fluorescente utilizzata in ceppi ricombinanti reporter dei micobatteri in precedenti studi33. Misure ottiche del tessuto polmonare del mouse sono state ottenute con gli stessi metodi descritti nei passaggi 1.4 – 1.5. Uso degli animali è stato approvato dalla istituzionale Animal Care and uso Committee (IACUC) presso la Texas A & M University. Un rapporto adatto di TiO2 a inchiostro di India è stato trovato per entrambi sano e infiammato tessuto polmonare murino per luce di 535 nm lunghezza d'onda (tabella 5).
Ricette per materiali con differenti proprietà ottiche sono indicate nelle tabelle 1-4 e graficamente in figure 2–3. La dipendenza dell'assorbimento e scattering sulla concentrazione delle particelle sono riassunti nella Figura 4. Tendenze in coefficiente di assorbimento e scattering ridotto coefficiente per fantasmi con una concentrazione costante di TiO2 (particella di scattering) (Figura 4A, 4B) e una concentrazione costante dell'inchiostro di India (assorbimento delle particelle ) (Figura 4C, 4 D) mostrano la relazione di proprietà ottiche di entrambe le particelle. Per garantire la riproducibilità di tali proprietà ottiche, la corretta tecnica di miscelazione deve essere utilizzata. Assestamento e arricciamento delle particelle di TiO2 causerà un cambiamento del coefficiente di dispersione del phantom polimerizzato (Figura 5). Inchiostro di India che macchia il recipiente di miscelazione ridurrà anche il coefficiente di assorbimento.
I fantasmi del polmone sono stati progettati utilizzando una struttura frattale per il vuoto interno (Figura 1C). La struttura stampata 3D deve essere vapore lucidato per creare una superficie interna liscia all'interno il fantasma (Figura 1E). Figura 6 Mostra un confronto tra luce scattering da un fantasma che non era degassato o vapor lucido (Figura 6A, C), e un fantasma che aveva un vapore lucidato parte interna ed era degassato (Figura 6B, 6D). I fantasmi erano imaged usando l'illuminazione da una fonte esterna di luce bianca (Figura 6A, 6B) e con un'origine interna microendoscope a 535 nm (Figura 6C, 6D). Vapor lucidatura e degasaggio ridurre al minimo la presenza di scatterers irriproducibile, tra cui la rugosità di superficie (Figura 6C, interno 2) e bolle (Figura 6C, interno 1). Degasaggio è particolarmente importante, perché la posizione di bolla di aria è casuale e imprevedibile. Inoltre, aria bolle sono oscurate una volta che le particelle di TiO2 sono incorporate (non illustrato nella Figura 6), rendendo il fantasma otticamente opaco. Pertanto, bolle invisibile possono minare la rappresentazione del materiale fantasma delle proprietà ottiche del tessuto.
La parte stampata 3D lucidato a vapore è stata misurata con pinze alla base e i rami distali e dimensioni vengono confrontati con il modello solido 3D nella tabella 6. A seguito di fabbricazione del polimero fantasma, il fantasma era imaged utilizzando un sistema di micro-CT imaging (Supplemental materiale 3). Utilizzando il set di dati 3D, dimensioni del vuoto interno presso le filiali di base e distale sono stati misurati per il confronto (tabella 6). L'albero lucidato vapor è leggermente inferiore alla base perché la lisciatura della superficie di vapor l'acetone fa sì che la superficie della plastica di fluire. Con la parte stampata 3D sospesa dalla base, la superficie fluisce verso i rami distali, causando un piccolo cambiamento nella dimensione della parte. Esiste un compromesso tra scorrevolezza di superficie e mantenendo le dimensioni della parte. Un polacco di vapore più a lungo si tradurrà in una superficie più liscia, ma causerà più materiale di flusso, con conseguente alterati dimensioni.
Fantasmi erano imaged in un in vivo imaging sistema con una porta di accesso per l'inserimento di un fascio di fibre del microendoscope (Figura 7). Il microendoscope è stato disposto nel vuoto all'interno i fantasmi da cui era stato sciolto la parte stampata. Il microendoscope è stato usato per illuminazione interna al 535 nm e la via di illuminazione IVIS è stato bloccato. Il posizionamento della del microendoscope del è indicato nella Figura 7A. IVIS è stato usato per esterni collezione del segnale. Fantasmi imaged avevano la stessa struttura interna come quelli imaged in Figura 3. Con identiche strutture interne e dimensioni esterne, la differenza nelle proprietà ottiche del tessuto polmonare sano (Figura 7A) e polmone infetto tessuto (Figura 7B) è ravvisabile nell'irraggiamento superficiale della fantasmi. Come questi fantasmi mantengono una risposta adeguata ad un cambiamento nelle proprietà ottiche, questo metodo per la fabbricazione fantasma può essere applicato per fantasmi utilizzati negli studi di illuminazione interna.
Figura 1: Diagramma di flusso di fabbricazione del tessuto ottico phantom. (A) determinare ricetta ottima per le proprietà ottiche di destinazione del tessuto di interesse. (B) verificare la ricetta. (C) Design struttura interna. (D) struttura interna utilizzando dissolvable materiale di stampa. (E) vapore polacco parte stampata a superficie liscia. (F) mescolare polimero e particelle ottiche e versare nello stampo resistente al calore. (G) Degas e cura polidimetilsilossano (PDMS). (H) sciogliere parte stampata per creare il vuoto interno. (I) verificare fantasma geometria e proprietà ottiche. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Tendenze in coefficiente di assorbimento per l'inchiostro di India e TiO2 concentrazione. Coefficienti di assorbimento sono indicati per una fascia di inchiostro di India e biossido di titanio concentrazioni a 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)e 775 nm (D). Assorbimento è basso per concentrazioni basse per entrambe le particelle e generalmente aumenta con le concentrazioni di ogni particelle. Un plateau è raggiunto tra inchiostro di India 5 – 7,5 µ l / mL PDMS. Il tasso di aumento dipende dalla concentrazione di altre la particella e la lunghezza d'onda. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Tendenze nel coefficiente di dispersione ridotta per l'inchiostro di India e TiO2 concentrazione. Coefficienti di dispersione ridotta sono indicati per una fascia di inchiostro di India e biossido di titanio concentrazioni a 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)e 775 nm (D). Il coefficiente di dispersione ridotta è basso per concentrazioni basse per entrambe le particelle e generalmente aumenta con concentrazioni di ciascuno. Come assorbimento, il tasso di aumento dipende dalla concentrazione di altre la particella e la lunghezza d'onda. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Interdipendenza delle proprietà ottiche sulla concentrazione2 inchiostro di India e TiO. Coefficienti di assorbimento e dispersione ridotta coefficienti sono indicati per le ricette con una concentrazione costante di TiO2 di 1 mg/mL PDMS (A, B) e costante India inchiostro concentrazione di 5 µ l/mL PDMS (C, D). Pannello (B) Mostra che coefficiente di scattering cambierà con una costante concentrazione di TiO2 quando concentrazione dell'inchiostro di India è vario, e pannello (C) indica che quello Coefficente di assorbimento cambierà per una costante concentrazione dell'inchiostro di India Quando TiO2 è vario. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: miscelazione effetti ottici scattering. Miscelazione improprio del polimero non vulcanizzato e particelle ottiche può causare uno spostamento delle proprietà ottiche. Il fantasma male misto rappresentato in questa figura ha mostrato la sedimentazione delle particelle di TiO2 prima dell'indurimento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : Fantasmi rappresentativo delle vie respiratorie con materiale di coefficiente di dispersione bassa per illustrare la fabbricazione di successo e suboptimale. Vapor lucidatura e degasaggio sono integrante passi nella produzione di un fantasma che ha elementi di minima dispersione atipici. (A-B) Bianco luce immagini di fantasmi senza vapore lucidatura e degasaggio (A) e con il vapore, lucidatura e degasaggio (B). (C-D) Fantasmi da A-B sono illuminati con luce di 535 nm. Inserti da (C) sono indicati per rappresentare gli effetti di dispersione 1) bolle d'aria e 2) una superficie ruvida di stampa 3D. (E) Rendering di una simulazione ottica basata sul computer aided design (CAD) modello utilizzato per la fabbricazione di fantasma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7 : Imaging dei fantasmi con illuminazione interna. Una simulazione al computer fantasma (A) dimostra l'orientamento del posizionamento interno del geometria e fonte (stella gialla) per le immagini fantasma in pannelli (C) e (D). A segmentato micro-TAC del tessuto polmonare sano fantasma (B) conferma la struttura interna è presente nel fantasma otticamente opaco. Le vie respiratorie finta sono usata come una via per l'endoscopio per illuminazione interna dei fantasmi ottici a lunghezza d'onda di 535 nm. I due fantasmi imaged con illuminazione interna sono identici nella forma esterna e la struttura interna, con materiale proprietà ottiche ottimizzate per sano (C) e infiammato (D) del tessuto polmonare. Tutte le immagini e rendering sono sulla stessa scala. Barra della scala = 1 cm (pannello C). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: Tabella di look-up per 488 nm.
Tabella 2: Tabella di look-up per 535 nm.
Tabella 3: Tabella di look-up per 632 nm.
Tabella 4: Tabella di look-up per 775 nm.
| Coefficiente di assorbimento (cm-1) | Ridotto coefficiente (cm-1) di Scattering | |
| Tessuto polmonare sano del mouse | 2,05 ± 0,58 | 52.69 ± 7,83 |
|
Phantom sano (2 mg TiO2 + 3,5 µ l India ink) |
± 1,96 0.699 | 49.66 ±.12 |
| Tessuto polmonare infiammato del mouse | 5.49 ± 1.32 | 38.94 ± 9.68 |
|
Infiammata fantasma (1 mg TiO2 + inchiostro di India 10 µ l) |
4,34 ± 0.873 | 39.56 ± 5,02 |
Tabella 5: Misurata proprietà ottiche delle ricette fantasma corrispondono a misurata proprietà ottiche del tessuto polmonare sano e infiammata del mouse a 535 nm.
| Diametro base (mm) | Diametro del ramo distale (mm) | |
| Modello solido | 2.7 | 1.38 |
| Vapor lucido stampa | 2,56 ± 0,026 | 1,38 ± 0,141 |
| Muffa PDMS (misurata dal CT) | 2,55 ± 0,021 | 1.39± 0,055 |
Tabella 6: Verifica della struttura interna della phantom.
Supplementare materiale 1: file di input di esempio IAD. Per favore clicca qui per scaricare questo file.
Supplementare materiale 2: modello solido frattale albero della via aerea. Per favore clicca qui per scaricare questo file.
Supplementare materiale 3: fly-attraverso Micro-CT del tessuto polmonare sano del mouse di modellazione phantom. Per favore clicca qui per scaricare questo file.
Supplementare materiale 4: Video della rotazione segmentato micro-TAC. Per favore clicca qui per scaricare questo file.
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Discussion
Abbiamo dimostrato un metodo per la creazione di fantasmi ottici per rappresentare un polmone murino con una struttura interna di ramificazione per simulare l'interfaccia aria-tessuto interno. Le proprietà ottiche del tessuto polmonare murina sono ottenute integrando uniche concentrazioni di otticamente dispersione e assorbire particelle distribuite omogeneamente all'interno del polimero di matrice di massa. Queste proprietà ottiche può essere sintonizzata per simulare i valori fisiologici all'interno di diversi campi di spettro dei tessuti in Stati diversi (cioè sano contro il tessuto malato). Le proprietà ottiche dipendono dalla lunghezza d'onda di interesse, il materiale di base e le concentrazioni delle particelle all'interno il fantasma. Tuttavia, con più particelle, il rapporto tra la dispersione e l'assorbimento non è sempre intuitivo41. Il tasso di aumento di assorbimento dipende dalla concentrazione della particella di scattering, come pure la particella assorbente e similarmente per il tasso di incremento del coefficiente di dispersione ridotta. (Figure 2-4). Fantasmi PDMS inoltre sono stati indicati per mantenere le loro proprietà ottiche per fino a 1 anno27,28. Abbiamo misurato una stabilità di 3 settimane di proprietà ottiche entro l'errore di nostre misurazioni sfera integratrice (< 15%). Deposito di questi fantasmi e standard in un contenitore a tenuta di luce può contribuire a conservare le loro proprietà ottiche per lunghi periodi di tempo.
Vapor lucidare la parte stampata dissolvable consente una superficie liscia riproducibile sull'interfaccia interna dell'aria del fantasma (Figura 6). Per la geometria frattale mostrata qui, lucidatura la struttura interna ha prodotto una diminuzione della rugosità di superficie media di PDMS modellata da 37,4 µm a 7,2 µm. Ciò è estremamente importante se il fantasma viene utilizzato per la convalida di una simulazione ottica perché una superficie ruvida è molto più difficile da simulare con precisione rispetto ad una superficie liscia, uniforme (Figura 6E). Degasaggio è anche molto importante in quanto le bolle all'interno il fantasma PDMS fungono da ottico scatterers (Figura 6C, interno 1). Posizione di bolla non è prevedibile per replicare in una simulazione e potrebbe falsare i risultati se il fantasma è utilizzato come standard di calibrazione.
Dopo la verifica con micro-CT, una piccola quantità di materiale residuo è stata trovata all'interno il vuoto delle vie respiratorie (Supplemental materiale 3). Inoltre, una segmentazione di questa stessa TAC rivela una piccola bolla d'aria accanto la struttura ad albero (4 materiale supplementare). Durante la fabbricazione, fantasmi otticamente chiari ha reso una completa dissoluzione del materiale della struttura interna e senza bolle d'aria all'interno della matrice polimerica. Verifica con micro-CT ha dimostrato che i fantasmi otticamente opachi possono contenere piccoli difetti, non altrimenti visibili.
Miscelazione correttamente le particelle ottiche con il polimero non vulcanizzato è indispensabile per raggiungere scattering e assorbimento ottico prevedibile e riproducibile. Uno spostamento del coefficiente di dispersione ridotta causata da scarsa miscelazione è illustrato nella Figura 5. Prima di versare il polimero nello stampo, garantire non c'è nessuna prova di TiO2 particelle stabilirsi o "anguigna" nella miscela e nessuna prova di colorazione il recipiente di miscelazione dell'inchiostro di India. Aggiungendo le particelle nell'ordine consigliato dovrebbe minimizzare questi problemi.
Il design di questi fantasmi è limitato dalla parte stampata 3D. Le vie respiratorie finta sono progettata in modo che il materiale di supporto possa essere indagato fuori, dato che non è solubile. Questo può essere superato mediante lo spostamento in una stampante più avanzata che possono entrambi materiali di stampa con diversa solubilità, o una stampante di sinterizzazione laser, che non bisogno di materiale di supporto. È anche importante notare che il polmone è intrinsecamente un organo molto poroso a causa le vie aeree distali e negli alveoli. Mentre che non è rappresentato in questo fantasma, gli effetti ottici di strutture simili sono stati osservati con una zattera di bolla di Bragg-Nye per tomografia di coerenza ottica21, bolle d'aria nell'olio d'oliva42e crema da barba o detersivo per piatti per 43di imaging a risonanza magnetica nucleare. Creazione di schiume polimeriche con caratteristiche riproducibile può essere in grado di conciliare questa differenza tra i fantasmi di solidi presentati qui e il polmone microstruttura44.
La forma del fantasma finale può anche essere personalizzata a seconda dell'applicazione. Il fantasma rettangolare mostrato qui era imaged con illuminazione interna e utilizzato per la convalida di un modello computazionale dei polmoni sani e infetti (Figura 7). Questo disegno può essere ulteriormente aggiornato per rappresentare il tronco cilindrico del mouse semplicemente cambiando la progettazione dello stampo esterno polimero.
Mentre noi abbiamo dettagliato qui la progettazione di un polmone murino e il fantasma delle vie aeree, questi metodi possono essere modificati per adattarsi al altri organi o animali di interesse. La struttura interna può essere convertita in un percorso di flusso per fantasmi vascolari, o può essere utilizzata come un cast per una struttura interna complessa con proprietà ottiche uniche. La forma complessiva del fantasma può essere ottimizzata anche per l'applicazione, un animale o un organo di interesse. Stampa 3D di strutture interne e di stampi di polimero dà libertà al processo di progettazione dei fantasmi ottico strutturato polimero. Questi sono strumenti integrale in simulazione validazione e calibrazione di tecniche di imaging ottico in vivo , perché possono rappresentare più accuratamente l'ambiente in vivo di fantasmi singoli o multi-strati omogenei.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation carriera premio no. CBET-1254767 e Istituto nazionale di allergie e malattie infettive concedere no. AI104960 R01. Noi riconosciamo con gratitudine Patrick Griffin e Dan Tran per la loro assistenza con misure di caratterizzazione e la Texas A & M laboratorio di patologia cardiovascolare per micro-CT imaging.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms |
| White Rutile Titanium Dioxide powder | Atlantic Equipment Engineers | TI-602 | Scattering particles for optical phantoms |
| Higgins Fountain Pen India Ink | Michaels Craft Stores | 10015483 | Absorbing particles for optical phantom |
| Heat Resistant tape | Uline | S-7595 | Heat resistant tape for polymer molds |
| Fortus 360mc 3D printer | Stratasys | N/A | Able to switch build and support material with this model printer |
| ABS Ivory Model Material | Stratasys | SDS-000001 | Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure |
| SR-30 Soluble Support | Stratasys | 400638-0001 | Base soluble support material for printing internal structure |
| Flacktek Speedmixer | Flacktek Inc. | DAC 150.1 FV | For efficient mixing of polymer and particles |
| Integrating sphere | Edmund Optics | 58-585 | For measuring optical properties |
| Polycarbonate build plates (1 mm) | Stratasys | N/A | Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used |
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